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Dokumentenidentifikation DE102005018073B4 19.03.2009
Titel Vieltor-Kalibriermatrix
Anmelder Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, 81671 München, DE
Erfinder Hiebel, Michael, 82256 Fürstenfeldbruck, DE;
Richter, Wolfgang, 85540 Haar, DE
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Anmeldedatum 19.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005018073
Offenlegungstag 14.09.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.03.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.03.2009
IPC-Hauptklasse G01R 35/00  (2006.01)  A,  F,  I,  20051017,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse G01R 27/28  (2006.01)  A,  L,  I,  20051017,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vieltor-Kalibriermatrix nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vieltor-Kalibriermatrizen zum Kalibrieren von entsprechenden Vieltor-Netzwerkanalysatoren sind z. B aus der DE 197 55 659 A1, der US 6,614,237 B2 und der US 2003/0173978 A1 bekannt.

Je mehr Messtore der zu kalibrierende Netzwerkanalysator besitzt, um so aufwendiger werden die hierfür erforderlichen Kalibriermatrizen. Das aufeinander folgende Anschalten von Eintor-Kalibrierstandards wie Leerlauf (O = OPEN), Kurzschluss (S = SHORT) oder Anpassung (M = MATCH) kann hierbei zwar noch relativ einfach über an jedem Eingangstor der Matrix angeordnete Umschalter erfolgen. Schwieriger ist es jedoch, die bei vielen üblichen Kalibrierverfahren vorgesehene Durchverbindung zwischen zwei Messtoren herzustellen, wie dies bei der sogenannten TOSM- bzw. TRM-Kalibrierung für die Durchverbindung (T = Through) erforderlich ist. Bei einer 14-Tor-Kalibriermatrix sind dazu beispielsweise 91 entsprechende Durchverbindungen zwischen den verschiedenen Torpaaren erforderlich. Dies kann mit einfachen Mehrfach-Umschaltern nicht mehr realisiert werden. Hinzu kommt noch, dass bei derart vielen Querverbindungen durch die hierfür erforderlichen Umschalter eine nicht mehr tragbare hohe Einfügungsdämpfung für die Durchverbindung entsteht. Außerdem könnte eine so aufgebaute Vieltor-Kalibriermatrix nicht einfach auf mehr oder weniger Tore erweitert werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vieltor-Kalibriermatrix zu schaffen, die auf einfache Weise an Vieltor-Netzwerkanalysatoren mit beliebiger Messtorzahl anpassbar ist und bei der trotzdem 2-Tor-Verbindungen zwischen den einzelnen Torpaaren mit minimaler Durchgangsdämpfung möglich sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vieltor-Kalibriermatrix laut Oberbegriff des Hauptanspruchs durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäße Vieltor-Kalibriermatrix kann auf einfache Weise in beliebiger Torzahl aus den erfindungsgemäßen Schalt-Modulen zusammengesetzt werden. Es ist vor allem auch möglich, durch Herausnehmen einzelner Module oder Einfügen zusätzlicher Module in den geschlossenen Ring die Matrix so abzuändern, dass sie für Netzwerkanalysatoren mit geringerer oder höherer Messtorzahl geeignet ist. Die einzelnen Module können sehr preiswert in Mikrowellen-Schaltungstechnik auf entsprechenden Substraten hergestellt werden. Die benutzten Schalter werden vorzugsweise als elektronische Schalter ausgebildet, beispielsweise als PIN-Dioden oder als Transistoren. Die Leitungsverbindung zwischen den Modulen erfolgt vorzugsweise über Festmantelkabel oder andere leicht montierbare und trotzdem HF-taugliche Leitungssysteme.

Elektronische Schalter besitzen zwar eine höhere Einfügungsdämpfung als mechanische Schalter. Sie sind jedoch preiswerter, besitzen eine höhere Lebensdauer und haben auch keine Probleme bezüglich der Kontaktwiederholbarkeit. Durch die erfindungsgemäße Ringschaltung der einzelnen Schalt-Module können Durchverbindungen zwischen den einzelnen Messtoren mit geringst möglicher Einfügungsdämpfung erreicht werden, da die Ringanordnung jeweils die Verbindung auf kürzestem Wege zwischen den ausgewählten Toren ermöglicht. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, jeweils eine ungerade Anzahl von Schalt-Module zu einem Ring zusammen zu schalten, da hierbei jeweils zwischen zwei Modulen ein kürzester Weg gegeben ist. Um Kalibiermatrizen mit mehr als 6 oder 8 Toren zu realisieren, kann es vorteilhaft sein, mindestens zwei derartige Modulringe vorzusehen und diese über entsprechende Querverbindungen miteinander zu vernetzen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, in jedem einzelnen Schaltmodul einen zusätzlichen digitalen Speicher, beispielsweise ein EEPROM vorzusehen und in diesem die charakteristischen Kenndaten dieses jeweiligen Schaltmoduls abzuspeichern, die im Prüffeld durch einen vorhergehenden Messvorgang ermittelt werden. Damit kann der Benutzer selbst aus ihm zur Verfügung stehende Schaltmodule mittels unbekannter Kabel beliebig große Vieltor-Kalibriermatrizen zusammenbauen, indem er aus diesen ihm über den Speicher zugänglichen charakteristischen Kenngrößen des Schaltmoduls nach einem nachfolgend beschriebenen Verfahren die Transmissionsmatrix der Verbindungskabel bestimmt, die zum Zusammenschalten der einzelnen Schaltmodule zu dem geschlossenen Ring erforderlich sind. Damit kann jeder Benutzer jeweils den für seine Bedürfnisse günstigsten Gesamtaufbau einer solchen Kalibriermatrix wählen, da er beliebige Verbindungskabel in beliebiger Länge und Form für die Ringschaltung benutzen kann. Die Auswertung und Berechnung der Transmissionsmatrix dieser zur Ringschaltung erforderlichen Kabelverbindungen erfolgt durch eine geeignete Software z. B im Rechner des Netzwerkanalysators. Damit können auf einfache Weise aus den im Prüffeld ermittelten, abgespeicherten, charakteristischen Daten des Moduls die erforderlichen Durchverbindungen bestimmt und berücksichtigt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 den Prinzipaufbau einer erfindungsgemäßen Vieltor-Kalibriermatrix;

2 die Zusammenschaltung der Schaltmodule;

3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer technischen Realisierung der Umschalteinrichtung;

4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer technischen Realisierung der Umschalteinrichtung;

5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer technischen Realisierung der Umschalteinrichtung;

6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer technischen Realisierung der Umschalteinrichtung;

7 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer technischen Realisierung der Umschalteinrichtung;

8 den mechanischen Aufbau eines Beispiels einer 12-Tor-Kalibriermatrix; und

9 u. 10 das Prinzip der Selbstkalibrierung der Verbindungsleitungen zwischen den Modulen.

1 zeigt den Prinzipaufbau einer erfindungsgemäßen Vieltor-Kalibriermatrix. Sie ist in dem Beispiel aus sechs Schalt-Modulen MO1 bis MO6 zusammengesetzt, von denen jedes eine schematisch angedeutete Umschalteinrichtung X aufweist, über welche die jeweiligen Eingangstore E, die beim Kalibrieren mit den entsprechenden Messtoren des nicht dargestellten Vieltor-Netzwerkanalysators verbunden werden, bei der sogenannten TSOM-Kalibrierung wahlweise entweder mit einem Kurzschluss S, einem Leerlauf O oder einer Anpassung M bzw. für die Durchverbindungen T mit den Ausgängen A oder B verbindbar sind. Diese für die Durchverbindung vorgesehenen Ausgänge A und B der sechs nebeneinander angeordneten Schaltmodule MO sind durch Kabel in Kette zu einem geschlossenen Ring geschaltet und zwar ist jeweils der eine Ausgang A des einen Schaltmoduls mit dem Ausgang B des benachbarten Schaltmoduls verbunden, wie dies 1 zeigt.

Die Umschalteinrichtung X jedes Schaltmoduls MO ist außerdem so ausgestaltet, dass die beiden Ausgänge A und B intern über einen Bypass miteinander verbunden werden können. Wenn also beispielsweise zur Kalibrierung eine Durchverbindung T zwischen dem Tor E1 und dem Tor E4 erforderlich ist, so wird die Umschalteinrichtung X des ersten Schaltmoduls MO1 so geschaltet, dass das Eingangstor E1 mit dem Ausgang B verbunden ist, die Umschalteinrichtung im benachbarten Schaltmodul MO2 und MO3 so, dass intern jeweils die Ausgänge A und B über den Bypass miteinander verbunden sind und die Schalteinrichtung im vierten Schaltmodul MO4 eine Schaltstellung einnimmt, in welcher ihr Ausgang A mit dem Eingangstor E4 verbunden ist.

Auf diese Weise wird das Eingangstor E1 also über nur 6 Schaltkontakte mit dem Eingangstor E4 verbunden, was in der Praxis beispielsweise unter Berücksichtigung der dazu benutzten HF-Verbindungsleitungen, die beispielsweise als Festmantelkabel ausgeführt sind, eine Gesamt-Einfügedämpfung von 8 dB bedeutet. Bei einer ungeraden Anzahl von Schaltmodulen ergibt sich eine noch geringere Einfügedämpfung; bei 5 Schaltmodulen z. B. nur von 6,6 dB.

Die Umschalteinrichtung X der einzelnen Schaltmodule MO kann bei Bedarf noch durch einen dritten Ausgang C erweitert werden, durch den Querverbindungen mit entsprechenden zusätzlichen Ausgängen C von nicht unmittelbar im Ring benachbarten Schaltmodule möglich sind, wie dies bei größeren Ringschaltungen zweckmäßig sein kann. Mit diesen zusätzlichen Ausgängen C können beispielsweise auch zwei geschlossene Schaltmodul-Ringe miteinander verknüpft werden, wie dies in 2 durch die Verknüpfung von zwei 6-Tor-Ringen zu einer 12-Tor-Kalibriermatrix dargestellt ist. Jeder einzelne 6-Tor-Ring ist wieder, wie in 1 dargestellt, aus sechs Schaltmodulen MO1 bis MO6 zusammengesetzt, die ihrerseits durch die Querverbindungen C gemäß 2 miteinander verbunden sind.

Wenn also beispielsweise das Eingangstor E2 eines Ringes mit dem Eingangstor E14 des anderen Ringes für eine Durchverbindung T verbunden werden soll so wird die Schalteinrichtung X des Schalt-Moduls MO2 so geschaltet, dass das Eingangstor E2 mit dem Ausgang B und dieser über die Schalteinrichtung des benachbarten Schaltmoduls MO3 mit dem Ausgang A verbunden ist, der seinerseits im Schalt-Modul MO3 mit dem Ausgang C und so mit dem Ausgang C des Schaltmoduls MO13 des benachbarten Ringes verbunden ist. Von dort ist dann nur noch eine Verbindung über den äußeren Ring zum Eingangstor E14 des benachbarten Schaltmoduls MO14 dieses Ringes erforderlich. Die Umschalteinrichtungen X sind über eine nicht dargestellte Steuereinrichtung steuerbar, sodass der Kalibriervorgang auch automatisch durchführbar ist.

Für die praktische Realisierung der bisher nur schematisch dargestellten Schalteinrichtung X der Schalt-Module gibt es die verschiedensten Möglichkeiten. Die Schalter werden vorzugsweise als elektronische Schalter realisiert, beispielsweise mittles PIN-Dioden oder Feldeffekt-Transistoren, da elektronische Schalter preiswerter sind und eine höhere Lebensdauer als mechanische Schalter besitzen. Außerdem besteht bei elektronischen Schaltern nicht das Problem der Kontaktwiederholbarkeit. Selbstverständlich könnte die Matrix jedoch auch mit rein mechanischen Schaltern realisiert werden.

3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine technische Realisierung einer Umschalteinrichtung X eines Schaltmoduls MO, wie es beispielsweise in 1 bzw. 2 einsetzbar ist. Die Umschalteinrichtung X besteht aus einem eingangsseitigen Umschalter U1 mit fünf Schaltstellungen, dessen Fußpunkt mit dem Eingangstor E verbunden ist und von dessen fünf Schaltstellungen drei für den Anschluss von Eintor-Kalibrierstandards, beispielsweise Anpassung M, Kurzschluss S und Leerlauf O, dienen. Die restlichen beiden Schaltkontakte dienen zum Aufbau von Durchverbindungen T. Sie sind über Leitungen mit den Schaltkontakten von zwei weiteren Umschaltern U2 und U3 verbunden, deren Fußpunkte jeweils zu den sowohl als Eingang als auch als Ausgang dienenden Ausgängen A bzw. B des Schaltmoduls führen. In der einen Schaltstellung werden also die Durchverbindungs-Kontakte T des ersten Umschalters U1 direkt zu den Ausgängen A bzw. B durchgeschaltet, in der anderen Schaltstellung werden diese Ausgänge A und B unmittelbar über einen Bypass Y miteinander kurzgeschlossen. In einer dritten Schaltstellung werden diese beiden Ausgänge A und B über einen dritten Umschalter U4 zu einem externen dritten Ausgang C des Schaltmoduls durchgeschaltet, der für Querverbindungen vorgesehen ist.

Ein besonders einfacher Aufbau einer Umschalteinrichtung X zeigt 4, hier werden zwei handelsübliche sogenannte SP4T-Diodenschalter (Single Pole 4 Throw) benutzt, wobei der erste SP4T-Schalter, wie in 3, wieder zum Anschalten der Eintor-Kalibrierstandards S, O und M an das Eingangstor bzw. zum Durchschalten des Eingangstors an die Durchverbindung T dient. Der zweite SP4T-Schalter wird als Sternstruktur geschaltet, wie dies 5 zeigt. Sein ursprünglicher Fußpunkt wird lediglich als Rückpfad für den Vorspannungsstrom benutzt (Widerstand RBIAS).

In der hier verwendeten Betriebsweise werden immer zwei Schaltpfade über den gemeinsamen Sternpunkt Z durchgeschaltet, von denen der eine als Abgriff und der andere zur Speisung des Sternpunktes Z dient. Durch entsprechende Ansteuerung der jeweils einen Schaltpfad bildenden Diodenpaare über die mit Sperrdrosseln dargestellten Steuerleitungen kann so das Eingangstor E wahlweise mit dem Ausgang A oder B verbunden werden und jeder der Ausgänge A bzw. B kann seinerseits über den Sternpunkt Z zum dritten Ausgang C durchgeschaltet werden. Mit einer solchen aus zwei SP4T-Bausteinen aufgebauten Umschalteinrichtung können also wieder Ringe gemäß 1 oder 2 in beliebiger Anzahl zusammengestellt werden.

6 zeigt eine aus handelsüblichen SP4T und einem SP6T aufgebaute Umschalteinrichtung X eines Schaltmoduls MO, bei dem pro Schaltmodul gleichzeitig zwei oder mehr, im gezeigten Ausführungsbeispiel drei Eingangstore E1.1 E1.2 und E1.3 zusammengefasst sind, so dass also bereits pro Modul zwei oder mehr, im Beispiel drei Eingangstore einer Vieltor-Kalibriermatrix pro Schalt-Modul bedient werden können. Wenn beispielsweise in 1 die dortigen Schalt-Module MO1 bis MO6 durch eine Schalteinrichtung gemäß 6 ersetzt werden, so kann damit beispielsweise eine 18-Tor-Kalibriermatrix aufgebaut werden. Bei Ergänzung im Sinne der 2 bedeutet dies bereits eine 36-Tor-Kalibriermatrix.

Bei Benutzung der Stern-Dioden-Umschalter nach dem Prinzip gemäß 5 können gegebenenfalls auch die Eingangs-Umschalter in den nachfolgenden Hauptschalter integriert werden, wie dies 7 zeigt. Hier wird der in 4 noch vorgesehene Eingangs-Umschalter SP4T in den nachfolgenden Schalter integriert, der in diesem Fall dann als SP7T aufgebaut ist und in welchem somit über den zentralen Sternpunkt Z das Eingangstor E sowohl mit den Eintor-Kalibrierstandards O, S und M als auch zur Durchverbindung T mit den Ausgängen A bzw. B bzw. diese ihrerseits mit dem für Querverbindungen erforderlichen Ausgang C verbunden werden können.

8 zeigt schließlich noch den mechanischen Aufbau einer 12-Tor-Kalibriermatrix, die aus 12 nebeneinander angeordneten Schaltmodule besteht, die außen über kurze Festmantelkabel-Stücke (Ringverbindungen A-B) miteinander verbunden sind, und die über die zusätzlichen Querverbindungen C aus zwei geschlossenen 6-Tor-Ringen besteht. Um eine solche beispielsweise für die Kalibrierung eines 12-Tor-Netzwerkanalysators (der seinerseits beispielsweise aus einem 2-Tor-Netzwerkanalysator mit zwischengeschalteten Umschaltnetzwerk zu einem 12-Tor-Netzwerkanalysator erweitert ist) vorgesehene Matrix auf eine 14-Tor-Kalibriermatrix umzubauen, ist es lediglich erforderlich, zwei weitere Schaltmodule in die Ringstruktur zwischenzuschalten, beispielsweise je ein Schaltmodul in die beiden miteinander verknüpften 6-Torringe, diese also zu ergänzen zu jeweils 7-Tor-Ringen. Umgekehrt kann durch Herausnehmen einzelner Schaltmodule der Ring auch verkleinert werden, wenn ein Netzwerkanalysator mit geringerer Torzahl kalibriert werden soll.

Die Aufteilung der Vieltor-Kalibriermatrix in einzelne Schalt-Module ermöglicht vor allem in ihrer Realisierung mit Diodenschaltern den Aufbau auf kleinen Mikrowellen-Substraten, so dass diese auch sehr einfach und preiswert hergestellt werden können. Anstelle von Festmantelkabeln zum Verbinden der einzelnen nach dem Baukastenprinzip zusammengestellten Schalt-Module können auch andere leicht montierbare und trotzdem HF-taugliche Leitungssysteme verwendet werden. Der Einbau der Eintor-Kalibrierstandards erfolgt zweckmäßiger Weise direkt in der Schalterebene hinter dem Eingang, da sonst diese Standards durch die Einfügedämpfung von vorgelagerten Komponenten unnötig bedämpft werden und so eine Transformation der Reflektionsstandards (O bzw. S) eintreten kann.

Auch die Weglängen zwischen den Kalibrierstandards und den Eingangstoren der Kalibriermatrix sollten minimal sein, um temperaturbedingte Phasefehler zu vermeiden. Eine erfindungsgemäße Vieltor-Kalibriermatrix ist auch für höchste Frequenzen mit Wellenlängen von wenigen Zentimetern oder Millimetern geeignet, da Stichleitungen im Schaltungsaufbau vermieden werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die jedem Schaltmodul MO zugeordneten Eintor-Kalibrierstandards OSM ebenfalls unmittelbar im Schaltmodul MO vorzusehen und außerdem an jedem Schaltmodul MO einen Steuereingang beispielsweise in Form eines sog. USB (Universal Serial Bus)-Busses vorzusehen, über welchen die im Schaltmodul vorgesehene Umschalteinrichtung X von außen betätigbar ist. Auf diese Weise kann beispielsweise jedes Schaltmodul MO im Prüffeld einzeln aktiviert werden und sowohl die entsprechenden Durchverbindungen geschaltet werden bzw. die jeweiligen Eintor-Kalibrierstandards OSM nacheinander angeschaltet werden.

In jedem einzelnen Schaltmodul MO kann außerdem noch ein elektronischer Speicher (EEPROM) angeordnet werden, der ebenfalls über den USB-Anschluss ansteuerbar ist. In diesem Speicher sind die für das jeweilige Schaltmodul MO charakteristischen Daten gespeichert, die in einer vorhergehenden Eintor- bzw. Zweitor-Messung mittels eines Netzwerkanalysators im Prüffeld bestimmt werden. Dabei handelt es sich beispielsweise um die am Modul MO gemessenen Streuparameter (S11, S12, S21, S22) oder um dessen Transmissionsparameter. Aus diesen im Prüffeld ermittelten und im Speicher abgespeicherten charakteristischen Daten jedes einzelnen Schaltmoduls können bei der anschließenden Kalibrierung die Transmissionsmatrizen der Verbindungskabel bestimmt und berücksichtigt werden, die für das Zusammenschalten der Schaltmodule MO über die Modulausgänge A und B zum Ring beispielsweise gemäß 1 benutzt werden.

Die Kenndaten der benutzten Kabel sind also nicht erforderlich sondern sie können durch eine Selbstkalibrierung unmittelbar während des Kalibriervorgangs aus den charakteristischen Daten jedes einzelnen Schaltmoduls MO ermittelt werden. Damit können beispielsweise auch später auftretende Änderungen der Kabelverbindungen beispielsweise durch Temperaturänderungen nachträglich korrigiert werden.

Das nachfolgend näher beschriebene Selbstkalibrierverfahren für die Charakterisierung der HF-Verbindungen zwischen den einzelnen Modulen MO ermöglicht es, dass ein Kunde das Kalibiersystem seinen Bedürfnissen entsprechend selbst konfigurieren kann. Dies wird dadurch möglich, dass die einzelnen Module MO als autarke Einheiten zur Verfügung gestellt werden und jedes Modul einen Speicher aufweist, in welchem seine charakteristischen Daten abgespeichert sind. Die Ansteuerung und Stromversorgung sowie der Transfer der charakteristischen Daten jedes einzelnen Moduls kann über ein geeignetes Datenübertragungsmedium mit integrierter Stromversorgung wie z. B. den USB-Bus (universal serial bus) erfolgen. Der USB-Bus bietet den Vorteil, daß über einen sog. USB-Hub, der problemlos im Handel erhältlich ist, mehrere USB-Endgeräte an eine USB-Buchse angeschlossen werden können. Durch die Kaskadierung mehrerer Hubs kann damit eine Anbindung von bis zu 127 Modulen an den Netzwerkanalysator erfolgen.

Um die Durchverbindungen zwischen den Modulen zu realisieren, muss der Anwender die Module MO durch HF-taugliche Leitungen verbinden. Da die Leitungen entsprechend den geometrischen Bedürfnissen vom Kunden ausgewählt werden (Länge, Formgebung, ...), sind ihre Parameter (wie elektrische Länge und Dämpfung) nicht von vornherein bekannt. Im Rahmen der Erfindung wird deshalb ein Verfahren vorgestellt, das in der Lage ist diese Leitungen während eines mehrschrittigen Kalibriervorgangs zu charakterisieren. Dazu wird ein Modul vorausgesetzt, das in der Lage ist, die Eintorstandards (z. B. Open, Short, Match) nicht nur nach aussen an das Tor E, sondern auch an das Tor B und ggf. das Tor C durchzuschalten. Dies ist beispielsweise beim Modul gemäß 7 gegeben. Im Rahmen der Fertigungsendprüfung wurden im nicht flüchtigen Datenspeicher (z. B. EEPROM) des Moduls die nachfolgenden charakteristischen Daten abgelegt:

  • • Charakteristische Daten der nicht idealen Standards Open, Short, Match bezüglich des Tors E (durch Eintor-Messungen mittels eines Netzwerkanalysators ermittelt)
  • • Charakteristische Daten der nicht idealen Durchverbindung vom Tor E zu den Toren A, B und C (durch Zweitor-Messungen ermittelt)
  • • Charakteristische Daten der nicht idealen Standards Open, Short, Match bezüglich der Tore B und C.

Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf eine einfache Ringstruktur z. B. nach 1. Sie können jedoch problemlos auf den Doppelring (2) oder auf andere Strukturen, welche die Anschlüsse C benutzen, erweitert werden.

Im ersten Schritt stellt der Anwender die HF-Verkabelung und die Datenverbindung/Stromversorgung der Module her. Um den geometrischen Bedingungen des späteren Prüflings möglichst nahe zu kommen, besitzt der Kunde eine möglichst große Freiheit bei der Ausführung der HF-Verkabelung. Wegen ihrer stabileren Eigenschaften werden Festmantelkabel vorgeschlagen. Der Wellenwiderstand der Verbindungsleitungen sollte der Systemimpedanz von z. B. 50 &OHgr; entsprechen. Kleinere Abweichungen sind je nach Leitungslängen und Betriebsfrequenz durchaus zulässig.

Im zweiten Schritt startet der Anwender die Selbstcharakterisierung des Aufbaus durch eine externe Software oder eine in die Firmware implementierte Funktionalität. Der Netzwerkanalysator führt zunächst mittels der Eintorstandards des Moduls eine automatische Eintorkalibierung (3-Term-Verfahren) mit der Referenzebene am Tor E durch. Die dazu benötigten charakteristischen Daten sind exemplarabhängig im jeweiligen Modul MO vorhanden. Am Messtor, dessen Schnittstelle der HF-Steckverbinder zum Tor E darstellt, können nun prinzipiell Impedanzen fehlerkorrigiert vermessen werden. Durch einen als De-Embedding bezeichneten Vorgang wird die Referenzebene vom Tor E zum Tor A verschoben. Die dazu benötigten charakteristischen Daten der Durchverbindung von Tor E zum Tor A sind ebenfalls z. B. in Form einer frequenzabhänigen Transmissionsmatrix T vorhanden.

Angenommen die Wellengrößen aE und bE beschreiben die Zusammenhänge in der Referenzebene am Tor E und die Wellengrößen aA und bA beschreiben die Zusammenhänge am Tor A (vgl. 9) dann gilt

Aus den am Tor E bekannten Wellengrößen können durch Umformung von Formel (1) die Wellengrößen in der neuen Referenzebenen am Tor A bestimmt werden.

Das Tor A kann damit prinzipiell als Messtor verwendet werden. Vom Tor A des betrachteten Moduls MO führt eine HF-Verbindungsleitung zum Eingang B' des Modul MO'. Die Parameter dieser Verbindungsleitung, von der nur vorausgesetzt wird, dass sie reziprok (S12 = S21) ist, werden nun im Rahmen der Selbstcharakterisierung ermittelt. Alle Schaltungen, die aus resistiven, kapazitiven, induktiven Bauelementen und/oder Übertragern sowie Leitungen aufgebaut sind, erfüllen die Reziprozitätsbedingung. Die Verbindungsleitung kann also neben Verlusten noch weitere parasitäre Eigenschaften oder sogar Bauelemente aufweisen. Der Fall S12(f) = S21(f) = 0 muß jedoch für den gesamten Kalibrierfrequenzbereich ausgeschlossen werden.

Im folgenden Schritt wird zunächst die S-Matrix der Verbindungsleitung bestimmt. Dazu schließt der Netzwerkanalysator über geeignete Steuersequenzen, die er an des Modul MO' schickt, die Leitung der Reihe nach mit den drei Eintorstandards des Moduls MO' ab. Die charakteristischen Daten &Ggr;O, &Ggr;M, &Ggr;S dieser Standards bezogen auf das Tor B' sind im Speicher des Moduls MO' abgelegt und stehen damit zur Verfügung. Die bezüglich des Tores A aufgenommenen Reflexionsfaktoren seien durch MO, MS und MM gegeben. Fasst man die Last &Ggr;, die durch das Tor B' realisiert wird, und die Leitung (S11, S21 = S12, S22) zu einem Eintor zusammen, so kann man dessen Eingangsreflexionsfaktor M als

berechnen. Durch Einsetzen der Messwerte M, die am Tor A des Moduls MO durch De-Embedding ermittelt wurden, und der charakteristischen Daten &Ggr; in Formel (4) erhält man ein Gleichungssystem aus drei Gleichungen, das die Unbekannten s11, s21 2, s22 aufweist. Die i. a. komplexen Unbekannten können durch Auflösen berechnet werden. Der S-Parameter s21 muß aus der komplexen Wurzel
berechnet werden. Die Phase &phgr; des Parameters s21 weist als Freiheitsgrad die Konstante k = {0, 1} auf.

Durch die Randbedingung &phgr;(f) ≈ 0 für f ≈ 0 kann die Konstante k bei einer niedrigen Frequenz von wenigen MHz bestimmt werden. Erhöht man davon ausgehend die Frequenz schrittweise, so ist dabei die Konstante k eigentlich fest. Da die meisten Netzwerkanalysatoren prinzipbedingt die Phase nur im Bereich [0..2&pgr;] erfassen, ist ein linearer Sweep ausgehend von f ≈ 0 bis zur maximal benötigten Kalibrierfrequenz nötig, wobei für jeden Überlauf der Phase die Konstante k um 2 zu erhöhen ist.

Nachdem nun alle S-Parameter s11, s12 = s21, s22 bekannt sind, kann die Transmissionsmatrix der Leitung bestimmt werden.

Die Transmissionsmatrix TB'E' des Moduls MO' für die Verbindung B' zu E' ist bereits durch die charakteristischen Daten dieses Moduls bekannt. Durch die Multiplikation TEE' = TEATLtgTB'E'(10) der Transmissionsmatrizen kann die Gesamttransmissionsmatrix TEE' der zur eigentlichen Kalibrierung benötigten Durchverbindung ermittelt werden. Mit den übrigen Leitungen des Aufbaus wird ähnlich verfahren (vgl. 10). Im letzten Schritt wird nun auf der Basis der vollständig charakterisierten Kalibriereinrichtung eine automatische Kalibrierung durchgeführt. Dabei können nahezu alle Kalibrierverfahren wie 7-Term-, 10-Term- und 15-Term-Verfahren verwendet werden. Die Ermittlung der Transmissionsmatrix der Kabel erfolgt rechnerisch beispielsweise im Rechner des zu kalibrierenden Netzwerkanalysators.

Sofern die verwendeten Umschalter reziprok sind, kann eine Leitung ein oder mehrere dazwischenliegende Schaltmodule aufweisen. Durch diese Zusammenfassung von Leitungen und Modulen wird vermieden, dass sich Ungenauigkeiten des zuvor beschriebenen Verfahrens entlang eines Signalpfades, der aus mehreren Leitungen besteht, addieren. Weist ein Schaltmodul mindestens zwei Eingänge E1, E2 auf, so kann statt des 3-Termverfahrens auch ein anderes Verfahren wie etwa das 7-Termverfahren (TOM, TRM, TRL, ...) oder ein 10-Termverfahren verwendet werden, um an der Referenzebene (Anschluss Tor E) Eintore fehlerkorrigiert messen zu können.


Anspruch[de]
Vieltor-Kalibriermatrix zum Kalibrieren von Vieltor-Netzwerkanalysatoren mit einer der Anzahl der Messtore des Netzwerkanalysators entsprechenden Anzahl von Eingangs-Toren (E), die zum Kalibrieren über Schalteinrichtungen wahlweise mit Eintor-Kalibrierstandards (O, S, M) oder mittels Durchverbindungen (T) mit einem der anderen Eingangstore (E) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Vielzahl jeweils einem Eingangs-Tor (E) zugeordneten Schalt-Modulen (MO) zusammengesetzt ist und jedes Schalt-Modul eine mit dem Eingangstor (E) verbundene Umschalteinrichtung (X) aufweist, über welche wahlweise Eintor-Kalibrierstandards (S, O, M) an dieses Eingangstor (E) anschaltbar sind oder für eine Durchverbindung (T) dieses Eingangstor mit dem Eingangstor eines anderen Schalt-Moduls verbindbar ist, und dazu das Eingangstor (E) entweder mit einem ersten oder zweiten Modul-Ausgang (A bzw. B) oder diese beiden Modul-Ausgänge (A, B) miteinander verbindbar sind, wobei der erste Ausgang (z. B. A) eines jeden Schalt-Moduls (MO) jeweils mit dem zweiten Ausgang (z. B. B) eines jeweils benachbarten Schalt-Moduls und somit alle Schalt-Module in Kette zu einem geschlossenen Ring verbunden sind. Vieltor-Kalibriermatrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (X) mindestens einen weiteren Modul-Ausgang (C) zur Herstellung von Querverbindungen mit den entsprechenden zusätzlichen Modul-Ausgängen von nicht unmittelbar im Ring benachbarten Schalt-Module aufweist. Vieltor-Kalibriermatrix nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (X) aus elektronischen Schaltern, insbesondere PIN-Dioden oder Transistoren, besteht. Vieltor-Kalibriermatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (X) einen mit dem Eingangstor (E) verbundenen Eingangs-Umschalter (U1) mit zwei Schaltstellungen für Durchverbindungen und entsprechenden Schaltstellungen zum Anschalten der Eintor-Kalibrierstandards (S, M, O) aufweist und dass die Schaltkontakte der beiden Durchverbindungs-Schaltstellungen (T) jeweils mit zusätzlichen Ausgangs-Umschaltern (U2, U3) verbunden sind, deren Ausgänge in einer ersten Schaltstellung mit dem ersten bzw. zweiten Modul-Ausgang (A bzw. B) und in einer zweiten Schaltstellung über einen Bypass (Y) miteinander verbunden sind. Vieltor-Kalibriermatrix nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zusätzlichen Ausgangs-Umschalter (U2, U3) drei Schaltstellungen aufweisen, von denen die erste zum Durchschalten der Durchverbindungs-Schaltstellungen (T) zu den Modul-Ausgängen (A, B), die zweite zur Bypass-Verbindung (Y) der Modul-Ausgänge (A, B) und die dritte zur Herstellung von Querverbindungen zu nicht unmittelbar benachbarten Schalt-Module dient. Vieltor-Kalibriermatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (X) mehrere in einem Sternpunkt (Z) zusammengeschaltete Schaltpfade aufweist, wobei mindestens ein Schaltpfad mit dem Eingangs-Tor (E) und zwei der Schaltpfade mit den Modul-Ausgängen (A, B) verbunden sind. Vieltor-Kalibriermatrix nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Schaltpfade der Sternstruktur mit den Durchverbindungs-Schaltkontakten (T) von mindestens zwei jeweils mit einem Eingangstor (E1.1, E1.2, E1.3) verbundenen Eingangs-Umschaltern (SP4T) verbunden ist. Vieltor-Kalibriermatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei oder mehr geschlossenen Schaltmodul-Ringen besteht und die zusätzlichen Modul-Ausgänge (C) der Schalt-Module der Ringe jeweils miteinander verbunden sind. Vieltor-Kalibriermatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintor-Kalibrierstandards (O, S, M) unmittelbar im Schaltmodul (MO) integriert sind. Vieltor-Kalibriermatrix nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintor-Kalibrierstandards (O, S, M) innerhalb des Schaltmoduls (MO) über die Umschalteinrichtung (X) sowohl mit dem Eingangstor (E) als auch mindestens mit einem der beiden Modul-Ausgänge (A, B) und/oder dem Querverbindungs-Modul-Ausgang (C) verbindbar sind. Vieltor-Kalibriermatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Schaltmodul (MO) ein digitaler Speicher zugeordnet ist, in welchem die durch vorhergehende Messung bestimmten und für dieses Schaltmodul jeweils charakteristischen Daten gespeichert sind, aus denen nach Zusammenschalten der Schalt-Module mittels Verbindungsleitungen (A-B) zum Ring bei der anschließenden Kalibrierung des Netzwerkanalysators die Transmissionsmatrizen dieser Verbindungsleitungen berechnet und bei den Durchverbindungen (T) entsprechend berücksichtigt werden. Kalibrierverfahren für Vieltor-Netzwerkanalysatoren mit einer Vieltor-Kalibriermatrix nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der vorausgehenden Vermessung des Schaltmoduls (MO) mindestens die charakteristischen Daten der Eintor-Kalibrierstandards (O, S, M) bezüglich des Eingangstors (E) und des zweiten Modul-Ausgangs (B) und außerdem die charakteristischen Daten der Durchverbindungen mindestens zwischen dem Eingangstor (E) und dem ersten Modul-Ausgang (A) sowie zwischen dem zweiten Modul-Ausgang (B) und dem Eingangstor (E) bestimmt und im Speicher des Schaltmoduls abgespeichert werden. Kalibrierverfahren für Vieltor-Netzwerkanalysatoren mit einer Vieltor-Kalibriermatrix nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der vorausgehenden Vermessung des Schaltmoduls (MO) mittels einer Eintor-Messung außerdem die charakteristischen Daten der Eintor-Kalibrierstandards (O, S, M) bezüglich des Querverbindungs-Ausgangs (C) des Moduls und mittels einer Zweitor-Messung die charakteristischen Daten der Durchverbindungen zwischen dem Querverbindungs-Ausgang (C) und dem Eingangstor (E) sowie zwischen dem zweiten Modul-Ausgangs (B) und dieses Querverbindungs-Ausgangs (C) bestimmt und im Speicher des Schaltmoduls abgespeichert werden.






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